各向同性的重要性

在 EMC 抗擾度測試期間電場探頭測量精度仍然是一個重要的討論主題。畢竟，探頭是完整測試的基礎，也是唯一且絕對的參考儀器，這一點就足夠讓 Raditeq的工程師開始研究這個主題。研究測試的初步結果是令人驚訝的。

圍繞測量精度的討論

許多年來，關于電場探頭值得注意的新聞并不多。過去，探頭行業標準的基礎是工作頻率高達1G的立方探頭和工作頻率高達40G的棒狀探頭。兩種類型的探頭都相對較大，且由電池供電。1999 年第一款激光驅動探頭 RadiSense 正式推出，問題也隨之出現，人們發現探頭的尺寸和形狀對測量結果有巨大的影響，而且探頭越小，測量結果就越精確，此外也發現了球形探頭的測量更準確。另一個重要因素是探頭相對于生成場的位置。柏林聯邦物理技術研究院（PTB）的測量結果表明，取決于探頭在生成場中的不同位置，測量元件（天線）與電子設備分離的棒狀探頭甚至可能會導致高達100% 的偏差。結果許多校準中心校準棒式探頭時將電子設備置于校準設置之外，這當然與正規的 EMC 測量使用探頭的方式不同。法國認證委員會 (COFRAC) 則關注到元件（天線）的數量以及如何校準傳感器，同時一些用戶也注意到，在同一個場景內使用相同的設置，不同型號的探頭之間也會存在明顯的測量差異。包括 Raditeq在內的一些供應商已將探頭的設計更改為六個彼此對稱放置的天線元件。盡管與舊版探頭相比，這種變化帶來了實質性的改進，但它也提醒了人們傳感器各向同性會產生的影響，及研究此問題的重要性。

定制研究設施

作為對測量準確性討論的回應，Raditeq 啟動了一個關于傳感器各向同性的研究項目，該項研究旨在更深入地了解導致這些測量誤差的原因。研究的第一步是建造一個定制的特殊消聲校準室。這個場景可以精確有效地測量電場探頭的特性。同時使用特殊的 3D 打印部件，構建一個全自動系統來準確測量現場探頭的各向同性表現，該系統可以達到半度的精度來定位現場探頭。

在開始研究之前，對相關術語的定義很重要。本項目三個參數的定義如下：

參數的定義

各向同性響應

電場探頭能夠顯示正確場級的水平，與探頭相對于生成場的方向無關。

旋轉對稱性

電場探頭能夠顯示正確場級的水平，與探頭相對生成場圍繞正交軸的旋轉無關。進行旋轉對稱校準時，探頭被放置在 54.7 度角下并旋轉 360 度。這意味著每旋轉120 度，其中的一個軸垂直于生成場。

場均勻性

是衡量消聲室質量的指標。在高質量的腔室中，場強在大面積上是均勻的。場均勻性是通過進行符合EN61000-4-3 的 16 點校準來確定的。前兩個定義都與現場探頭有關，第三個定義則用于消聲室。

在自動測量系統和 RadiMation 軟件的幫助下，校準室中進行了大量的精確測量。此外，研究項目里還包含了各方的測量結果。

結果

測量得出了顯著的結果。下圖表明了不同類型的電場探頭在完全相同的消聲室中使用相同的測量系統（場強為 50 V/m）的結果。由圖可知，在高于 3 GHz 的頻率上會出現巨大的差異。比如說在 4 GHz 時，測量差異最高達到72 V/m ，最低達到 25 V/m，相差 47 V/m (5.5 dB)。這是一個值得研究的問題，當差異超過 12dB 時，真正生成的場是什么？

錯誤原因

在理想情況下，電場探頭僅測量天線朝向探頭直接路徑的場強，然而在消聲室中總是存在影響測試的反射。這些反射通過墻壁到達探頭，并且也可能來自場景中的其他物體，例如 EUT。反射到達探頭時的幅度和角度取決于許多參數，例如；腔室的大小、天線的位置和生成信號的頻率。因此，反射的幅度和角度應被視為未知數。EN61000-4-3規定了可接受的誤差標準，如果 16 個點中的 75%（例如 12 個點）在 1.5m x 1.5m 的正方形中落在 0 – +6 dB 的范圍內，則場均勻性是合規的。6 dB 的誤差意味著反射可能與直接信號一樣強。對于 16 個點中剩余的 25%，場強以及因此產生的誤差可能更高。因此，這些反射甚至可能比直接信號更強。

其他測量表明，具有較大各向同性偏差的電場探頭會顯示超過 10 dB 的測量誤差。由于這些大的各向同性偏差，強反射信號將被記錄成大的測量誤差。因此，這個測量誤差是不可忽略的！

一個錯誤的認知是，如果探頭放置時其軸之一垂直于（極化）生成的場，則不會出現測量誤差。這忽略了一個事實，反射是以完全隨機且未知的角度到達探頭的。

總不確定度的測量

以下公式顯示了如何計算現場水平測量的總不確定度：

大多數這些對測量誤差的貢獻是眾所周知的并且相對較小。此外，可以通過軟件和硬件糾正這些系統誤差。例如，因為頻率響應經常被校正且實驗室的溫度相對恒定，所以對總不確定度影響最大的是探頭的非各向同性表現。通過計算總不確定度的公式即平方根的和，也表明了具有最大相對值的參數對測量的總不確定度影響最大。

各項同性主導參數

在 16 點校準期間，人們可能會認為場強測量值偏差是由消聲室造成的（實際上是由于不良的各向同性），因此又要花費不必要的高成本去改進這些消聲室。抗擾度測試期間探頭的不良或非各向同性也可能導致對EUT的錯誤評估。

結論

我們的研究表明，由于電場探頭的非各向同性表現尚未得到充分認識或理解，它引起的誤差比以前人們認為的要大得多。這些誤差主要出現在 1 GHz 以上的頻率范圍內。目前，探頭的各向同性誤差未在1 GHz 的關鍵點以上的范圍內指定。它表明各向同性誤差對消聲室和模式攪拌室中 EMC 抗擾度測試的準確性有相當大的影響。因此，必須在整個頻率范圍內指定電場探頭的各向同性表現。

進一步的研究

該研究項目尚未在“mode-stir”場景或混響室中進行。這些場景生成的場很可能低于特定測試所需的場，因為在這些類型的場景中，反射在測量技術中起著關鍵作用，尤其是在“mode-stir”的情況下，它依賴于墻壁的反射，理應形成均勻分布的場。然而由于非各向同性的探頭，這無法正確測量。需要進一步的研究來精確地測量這些偏差和誤差。通過這些研究，這個假設最終會被證明或被推翻。

審核編輯 ：李倩